CN101048904A - 具有柔性互连的燃料电池模件 - Google Patents

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Abstract

一种同心类型的本发明燃料电池模件，其可由互相独立地制造的部件构成，同时确保这些部件间的有效电连接和限制组件内的应力。其主要由通过互连(10)互相隔离的燃料电池的数个单电池的中心堆(20)构成。这些互连(10)可由带有柔性有缺口的轴环的中心金属分隔件形成。装配通过确保可燃气体分配的底座(50)和法兰(40)完成。SOFC类型燃料电池的应用。

Description

具有柔性互连的燃料电池模件
技术领域
本发明涉及燃料电池，具体涉及那些在高温下运行的固体氧化物燃料电池类型(SOFC)的燃料电池，但是本发明也可应用到其它燃料电池种类和电解装置。
背景技术
SOFC类型的燃料电池用氧气和氢气作为燃料、或用其它可燃气体例如甲烷类型的可燃气体在500～1000℃的温度下运行。这些电池由通过连接元件如互连或双极板连接的数个单电池的堆(stack)构成。单电池由阴极、电解质和阳极的叠层形成。须要高温以获得足够的电解质的O2-离子传导率。
数种类型的结构支配了这些燃料电池的设计；它们分为如下四种主要类型：
-管式结构
-单片结构
-条式结构
-平板结构
参考图1A、1B和1C，管式结构众所周知。其为管的形式，其可以在一端闭合或不闭合(参见图1B)。如图1C所示，将数个单电池6置于室7中并串联和/或并联连接。氧气通过每个电池底部的内管被注入并沿阴极3移动并通过支撑管5，其中阴极3布置在支撑管5上。第二种燃料注入单电池外部的主室7中并因此与位于电解质2外表面的阳极1接触，电解质2因为位于阴极上而自身为管形。阴极与也位于电解质2外表面上的连接器4相连接。残留气体被排出并任选在燃烧室中混合以预加热第一种引入气体。
在所述结构中，不存在要求任何处理(management)的密封。通过支撑管确保电池的机械强度，该支撑管多孔以使氧气能够通过其并向阴极扩散。曾考虑以后移除该支撑管，留下阴极来确保该组件的机械强度。
当串联在一起时，电池能够在集流板之间获得所需电压。图1C中电池的连接是并联且可获得所需功率。
该管式结构伴随有数个如下缺点：
-电流线路长，因为电流必须纵向(参见图1C)通过半管(half-tubes)；因此电阻损耗高；
-管的制造复杂且昂贵；
-考虑到电池间损失的空间，容积效率低；和
-由于反应气体的排泄，管长度上的热梯度对其机械强度非常有害。
数种技术被用于改进该管式结构的机械强度，它们为：
-减少管的尺寸以降低应力；
-通过以不同水平注入气体来减少热梯度；和
-加强支撑管。
还可通过如下方法使电流线路的长度减少：
-降低燃料电池的内阻，这意味着较高的功率；
-由于桥(bridges)的存在，使得可通过阳极变薄而减少电极中极化的损耗；
-通过扁平化的圆柱形而改进致密性；和
-移除供气管。
然而，所有这些结构只是部分地解决了由于电流线路长度而产生的致密性差和电阻损耗高的主要缺点。
平板结构被广泛应用。因此该平板组件由中间夹有由阳极、电解质和阴极依次构成的叠层的两个双极板构成。双极板用作连接器且还具有例如垂直定向以组织两种燃料交叉流动的循环通道。气体的供应和排出通过布置叠层的四个侧面上的歧管来进行。
电流线路缩减，因为电流只须通过各层的厚度。此外，该结构的紧凑性赋于了确定的优点。另一方面，密封问题比管式结构的情形要大，且在电池堆的四个侧面上必须处理密封问题以确保每种气体在输入和输出阶段的路径以及它们的隔离。这是因为电极是多孔的。而且，在四个歧管的外围上必须确保密封。
参考图1，较新的结构概念具有结合了平面结构优点与管式结构优点的同轴几何形状。该结构非常紧凑，电阻损耗大大降低且该组合件的密封易于实施。示于该图1中的模件为燃料电池的数个单电池的堆叠。每个单电池都夹在两个同心互连(interconnects)4之间并且由阳极1、电解质2和阴极3顺序构成。除了端部互连4之外，其它互连为两个相邻的单电池所共有。所述堆叠通过布置在两端的用于可燃气体的两个分配器歧管(该图中未显示)来完成。
然而，通常用于形成所述互连4的材料为非常昂贵的铬酸镧类陶瓷。此外，通常在形成各个单电池的不同的连续层的单个喷涂系列期间单通过等离子体喷涂而沉积这种互连。然而，设想独立制造该类型燃料电池的不同组成单，同时保持这种同轴结构。更精确的是，关键的是互相独立地制造不同的同轴单电池(即由阳极、电解质和阴极形成的叠层)的组合件。还必须能够确保这些串联单电池的电连接和实现可燃气体的流动和分离。最终，一直追求的是限制不同单电池上的机械应力，所述不同单电池含有或多或少的陶瓷并且处于热和冷接触。
因此本发明的目的为通过提出该类型燃料电池模件的互连的不同设计而克服这些缺点。
发明内容
为此，本发明的第一主题为由具有管式几何形状的单电池形成的燃料电池模件，其中每个单电池由基于同心的包含阳极、电解质和阴极的叠层构成且由两个互连包围，其中模件由数个同心电池的同心堆构成并且所述堆的各侧面设有用于通过分配和排出可燃气体的装置，即法兰和底座。
考虑到赋于互连柔性以使组件可径向变形，这些互连提供有中心分隔件，在所述中心分隔件上，装有至少一个柔性的、带有缺口的金属轴环(collar)向外伸出，该轴环远离隔板延伸且与其有一定角度。
在主要的实施方案中，假设模件截面为圆柱状。
设想分配器歧管具有两种类型可燃气体的供应装置。
在底座的一个主要实施方案中，供应装置包含至少两个径向通道，所述径向通道经过用于供应单电池电极的分配口而通入底座侧面内并达到组件的一个表面上。
所述模件可通过在互连的轴环和中心鬼灵精之间的阴极侧上使用陶瓷棉条和通过阳极侧上的镍毡条而完成。
附图说明
通过阅读如下详细说明以及结合所示的几个附图将更好地理解本发明、其不同特征和实施方案：
-图1A、1B和1C是根据现有技术的燃料电池的第一种基本结构；
-图2为用于具有同轴几何形状的模件的堆叠结构类型的局部透视图；
-图3为用于本发明模件的二分之一互连的透视图；和
-图4为根据本发明模件的横截面的透视图。
具体实施方式
图3显示了用在本发明燃料电池模件中的两个单电池之间的二分之一互连。其结构主要包括由通过压延或成型加工(profiling)成形为半圆柱体的平面金属板构成的中心分隔件13。在其每一面上，间隔的轴环11向外凸出以使其从密封隔板13的每一侧以一定角度向外伸出，但无论如何不与其垂直。而且，每个轴环11在其端部还具有缺口12，由此形成条。结合形成每个凸出的轴环11的金属板的或多或少的弹性，缺口12可使轴环11在径向上具有弹性，并利用其来装配模件。此外，这种弹性还可使每个互连能够确保与其接触的电极的电接触。这样可在装配模件时调节间隙以实现该装配并确保不同元件间的电接触，尤其当热态时。此外，该类型互连使得可限制热膨胀期间模件的单电池上的应力。
设想用基于镍的合金或超合金形成互连。确定其冷态时的尺寸以获得在相邻电极上的足够的力，以确保经由每个缺口12形成的条的良好的电接触以及受热时平衡每个单电池上的力，而没有条蠕变的任何风险和损坏模件单电池的任何风险单。
为限制关于互连接触的腐蚀的任何问题，可在阴极侧上用与阴极相同的材料和任何其它确保该功能的材料来涂覆。而且，为限制这两个元件界面处的电损耗，可将屏蔽铺设在阴极上或给予其导电金属涂层。
参考图4，本发明模件包含如下元件：底座50，放置在底座50上的将在下文详细描述的堆20以及放置在堆20顶上的法兰40。法兰40和底座50形成包含气体供应和气体排泄装置的分配器和排气装置。
底座50具有两个分别在空气压力下接受两种气体，即氢气和氧气的径向通道51。通向这两个径向通道51的分配口52还面对组件20终止。因此可将两种气体向每个单电池分配。
将诸如玻璃密封类型的密封沉积在底座50的上表面上以确保在该水平面处的密封。将金属毛细管53安装到分配口52以阻止它们在玻璃沉积期间被玻璃堵塞。
堆20的下表面与沉积在底座50上表面的密封接触。
因此燃料电池的单电池的堆20具有如图2所述的同心结构。然而，将如图2所示的互连用在单电池之间。该模件20在其外围有效地包括外部互连10E，在其中心包括内部互连10I。这两个互连10E和10I中的每一个与自身包含阳极21、电解质22和阴极23的组件的单电池接触。将其它互连10设置在两个相邻单电池之间。
应注意的是，底座50的分配口52导入互连10E和10I以及单电池之间的自由空间。
因此可确定的是互连10、10E和10I确保电接触和分离两种可燃气体的功能。
如果不希望增加供应口52和其毛细管53的数量，最有利的是在每个阴极23和与其面对的互连10、10I之间布置陶瓷毡或陶瓷棉。同样，可在每个阳极21和与其面对的互连10E、10之间布置镍毡以产生载荷损失(charge loss)。因此可燃气体能够自身均匀地分布在阳极21和阴极23的周围而不必增加可燃气体供应点的数目。
在堆20的上表面和法兰40的下表面之间插入陶瓷棉30的圆片(disk)，一旦压缩该圆片将吸收膨胀差异，引起足够的载荷损失以确保在互连10、10E和10I以及单电池之间的空间内的相对密封。最终其阻止了堆20内残留气体的回流。
用锆来设计法兰40。其包含在其下表面加工的用于独立收集残留余气体以将这些气体引导向外部或引导向另一燃料电池模件内的环形室45。第二选择包括在模件出口燃烧这些残留气体以加热引入可燃气体的线路。例如可将纤维材料如陶瓷棉布置在法兰40的残留气体出口处以排出这些气体而不会有任何火焰回流入模件内。其它解决方案包括使这些残留气体经由出口46而排出，所述出口46将环形通道45连接至法兰40上表面44。
整个模件通过向下朝底座50夹紧法兰40的拉杆41(stay rod)而固定在一起，堆20夹在中间。
在模件端部，即在内部10I和外部10E互连处收集电流。

Claims (10)

1.一种由具有管式几何形状的单电池形成的燃料电池模件，其中每个单电池由基体含有阳极(21)、电解质(22)和阴极(23)的具有同心基体的叠层构成且被两个互连(10、10E、10I)包围，其中所述模件由多个同心电池的同心堆(20)构成且在每侧具有分配和排泄装置即底座(50)和法兰(40)，
其特征在于所述互连(10、10E、10I)具有中心分隔件(13)，在所述中心分隔件(13)上安装至少一个柔性金属轴环(11)凸出，所述轴环(11)带有缺口且以一定角度延伸远离隔板(13)。
2.根据权利要求1的模件，其特征在于其截面为圆柱状。
3.根据权利要求1的模件，其特征在于所述分配和排气歧管即法兰(40)和底座(50)具有供应可燃气体的装置。
4.根据权利要求3的模件，其特征在于底座(50)的供应装置包含至少两个径向通道(51)，所述径向通道(51)经供应单电池电极即阳极(21)和阴极(23)的分配口(52)而通向堆(20)的一个表面上。
5.根据权利要求1的模件，其特征在于其包含在互连(10、10I)的轴环(11)和中心隔板(13)之间的阴极(23)侧上的陶瓷棉条以及在互连(10、10E)的轴环(11)和中心隔板(13)之间的阳极(21)侧上的镍毡条。
6.根据权利要求3的模件，其特征在于法兰(40)的供应装置包括面向堆(20)的表面上的两个环形通道(45)和在外表面(44)上的出口(46)，出口(46)通向环形通道(45)以排出残留气体。
7.根据权利要求1的模件，其特征在于其包含在堆(20)和法兰(40)之间压缩的陶瓷棉圆片(30)。
8.根据权利要求4的模件，其特征在于其包含安装在底座(50)的入口(52)中的毛细管(53)。
9.根据权利要求1的模件，其特征在于其包含在底座(50)上表面处并面对堆(20)布置的密封件。
10.根据权利要求1的模件，其特征在于用制造阴极(23)的材料涂覆阴极(23)侧上的轴环(11)。
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